JPS59151575A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は固体撮像素子に関する。特に光導電体と電荷
転送素子あるいは光導電体と固体のスイッチング走査素
子とを組み合わせた固体撮像素子に関する。

〔従来技術とその間朗点〕

固体撮像素子は従来の撮像管とくらべて小型。

軽量、高信頼性のカメラが出来る利点があり、残像が殆
んどない良質の画像を得る事が出来る。しかしながら、
固体撮像素子は主として８ｉウエハ上に形成され、使用
可能な感度波長領域が可視を中心に限定される欠点、さ
らには、光電変換を行なうｐ−ｎホト・ダイオードの有
効感光部と信号転送部の無効感光部があり、感度の低下
やモアレなどの偽信号が出やすいなどの撮像管には無い
欠点が存在する。これらの欠点を除く固体撮像素子とし
て従来の固体撮像素子を走査部として使用し、その上部
に設けた光導電体層にて光電変換を行なう素子が提案さ
れている。

第１図は光導電体と電荷転送素子を組み合わせた固体撮
像素子の一画素の断面図である。ｐ形８ｉ基板（１）に
ｎ　の埋め込みチャネルＣＯＤからなる垂直ＣＯＤ　（
２）と同じくｎ　の蓄積ダイオード（３）が形成される
。垂直ＣＣＤ　（２）の上には、転送用ゲート電極とな
るポリＳｉ電極（４）がある。蓄積ダイオード（３）の
部分では熱酸化膜を含む第一酸化膜（５）にエツチング
を行ない蓄積ダイオードのｎ　部分が露出するように形
成した後、例えばＭなどの第一電極（６）を所定の形状
に形成する。この後に第二酸化膜（７）を形成し、さら
にこの膜にエツチングを行ない、第一電極の一部を露出
させ、これにＭなどの第二電極（８）を所定の形状に形
成する。この上部にアモルファスシリコン（ａ−８ｌ）
などの光導［体層（９）をスパッタリングやグロー放電
で形成し、さらに透明導電膜（１０）を形成して、走査
部と光電変換部を有する固体撮像素子を得る。

なお、電極の材料が第一層はポ１Ｊｓｉ、第二層はモリ
ブデンの例で、はぼ同様の構成が特開昭５７−３２１８
３号公報に記載されている。

このような固体撮像素子においては、従来ならば蓄積ダ
イオード（３）の部分のみが一画素として有効に働くだ
けであったのに対して、少くとも第二電極（８）の部′
分が一画素として有効な光電変換を行なうので感度が増
加する利点が生じる。しかしながら、本来、第一電極（
６）上に光導電体層（９）を形成しても良いのであるが
、酸化膜（５）やポリＳｔ電極（４）の厚みによる表面
の凹凸段差が２〜４μｍ程度あるためとエツチング部で
は急峻な部分が形成されているために、光導電膜がこれ
ら段差により不連続となり、画像の欠陥や極端な場合に
は感度が得られず出画不良となってしまう。これを防ぐ
ために図示するように第二電極を用いて、段差を解消し
つつ、成可く平滑な面に光導電膜を形成する手段がとら
れている。しかし、この構成であっても表面の段差は完
全には解決できず、画像欠陥が出やすい。また製造工程
も複雑であり、バターニングのずれによる不都合の発生
の危険性もある。

また、第１図の構成では、ａ−８ｉなどの光導電体層（
９）の中で上方から入射した光（１１）により光励起さ
れた電子が下部の電極（８）に到達し、同じく正孔は上
部の透明導電膜（１０）に到達するように電界が形成さ
れる。すなわち、電位的には下部の電極（８）が透明導
電膜（１０）に比べて正の高電位となっている。一方、
通常これまで使われてきた撮像管の代表例である第２図
のビジコン形撮管のターゲット動作図に示すように、ガ
ラス基板（１２）に透明導電膜（１３）の−極が形成さ
れ、かつ、その上に光導電膜（１４）が形成−され、タ
ーゲット（１５）となる。この光導電膜（１４）には通
常透明導電膜（１３）に正の電位を印加するターゲット
電圧（１６）が負荷抵抗（１７）を通して接続されてお
り、光導電膜（１４）の裏面には、通常アース電位の陰
極（１８）から飛来する電子ビーム（図示せず）により
アース電位とはぼ同じ電位に設定される。このため、入
射光（１９）の方向と光導電膜（１４）中で光励起され
た電子は入射方向に戻って透明導電膜（１３）に向かい
、正孔は反対側へ向かう。この説明かられかるように、
光導電体中のキャリヤの動きと入射方向は第１図の固体
撮像素子と第２図の撮像管では反対方向とな夛、従来開
発してきた撮像管用の光導電膜をそのま＼固体撮像素子
に適用すると、分光感度特性が予想と異なるという欠点
が生ずる。第１図のＳｉ基板をｐ形か、ｎ形へ変えてす
べての電位関係を逆転すれば問題は無いが、デバイスと
して特殊化する欠点がある。

さらに、第１図の構成において、光゛導電体層の下部電
極の（７）と（８）は、垂直ＣＣＤのポリＳＩ′ｗＬ極
（４）上にあり、ポリＳｔ電極に印加される転送用クロ
ックパルスの電位に静電的なカップリングを起こして電
位が振られ、光導電体層にかかる電界がパルスと共に変
化したり、蓄積ダイオード（３）の電位も変化し、感度
の減少や、蓄積ダイオードから垂直ＣＯＤへの電荷転送
時に取多残しが出やすい。

〔発明の目的〕

この発明は固体走査部と光電変換部とを接続する新しい
電極構成を有する固体撮像素子を提供する事を目的とす
る。

さらに、新しい電極構成により、光電変換部の欠陥を減
少し、かつ、撮像管と同じような分光特性を持ち、垂直
ＣＣＤの転送パルスの影響を受けない固体撮像素子を提
供する事を目的とする。

〔発明の概要〕

この発明は従来の光導電体層の上、下の電極の位置関係
を逆転させ、蓄積ダイオード部にコンタクト穴を設け、
この穴に金属などの穎、極材料を充てんあるいは電極材
料を蒸着して、絶縁膜や光導電体層を通して、最上部の
電極と接触させた電極構成とする事を特徴とする固体撮
像素子である。

〔発明の効果〕

この発明により、撮像管に用いられている光導電膜がそ
のま＼固体撮像素子に適用できるようになり、撮像管と
同じような分光特性の撮像が可能になる。また、垂直Ｃ
ＣＵの転送パルスによる影響を防止して雑音の少ない良
好な画像を再生する固体撮像素子を得る事ができる。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第３図は本発明の一実施例を示す。ｐ形Ｓｉ基板（１）
垂直ＣＣＤ　（２）、蓄積ダイオード（３）およびポリ
Ｓｉ電極（４）は第１図と同じ構成である。平滑化され
た酸化膜（２０）上にＭなどの金属蒸着膜を形成した後
に、後刻、垂直電極を通すだけの面積をさけてパターニ
ングを行ない、下部電極（２１）を形成する。

次に全面に光導電体層（２２）’ｔ”形成する。この後
、蓄積ダイオード（３）に達するように、コンタクト穴
を光導電体層と酸化膜を通して形成する。この形成方法
は例えば全面にレジスト膜を塗附した後に、所定のコン
タクト穴に相等するようにパターニングにより穴をあけ
、残っているレジスト膜をブロックとして、ＲＩＥ法に
よシ光導電体層や酸化膜にコンタクト穴をあけて蓄積ダ
イオード（３）のＳｉ面を露出させる。この後、全面に
Ｎム、Ｃｕ、Ｐｂ、ＡＪ、Ｚｎ。

ＴＩや庵等の金属薄膜を薄く蒸着してからレジスト膜を
剥離液により取去り、コンタクト穴部のみに金属膜を残
す。さらに、電解メッキ液中にて、８ｉ　基板を通して
金属膜に電圧を印加し、メッキを施す事により□垂直電
極（２３）を形成する。さらに、全面に一様に透明導電
膜を形成した後に、レジスト膜塗付、露光、現像のパタ
ーニングにより、各画素単位の所定の形状の上部電極（
２４）とする。この構成によシ上部電極（２４）は各画
素毎に分離され、下部電極（２１）は垂直電極（２３）
の立ち上がってくる部分と接触しない範囲のみを除いて
、全面に電気的（接続し苑状態で配置されている。

上記の構成の本発明の固体撮像素子によれば、従来の固
体撮像素子の欠点であった画像欠陥などの原因となる表
面段差を解消すると共に上部電極と、下部電極が従来の
構成と逆転しているために従来の欠点を以下のように利
点に換える事ができる。第３図において、下部電極（２
１）には一般的に直流電圧が印加される。この電圧は外
部電源により制御された電位であって、第３図の構成で
は、上部電極（２４）の電位よりも低いかあるいは負の
値に設定され、光導電膜（２２）で光励起されたキャリ
ヤのうち電子は上部電極（２４）へ正孔は下部電極（２
１）の方向へ向かう。この光入射とキャリヤの動きは、
第２図で説明した従来のビジコン形撮像管のターゲット
のそれと同一と彦る。従って、従来の撮像管のターゲッ
トに適していた光導電形材料がそのまま応用できる利点
が生ずる。また、ターゲットを形成する材料のみならず
、形成方法もまたそのま＼固体撮像素子に適用そきる。

褌らに、下部電極（２１）は外部電源により電位が制御
されており、ＣＣＤの転送電極のポ１Ｊ８ｉ電極（４）
に転送のクロックパルスが印加されたときに、下部電極
が電気的なシールドの役割をなし、浮動−位である上部
電極（２４）への影響が殆んど無くな仄、蓄積ダイオー
ドからの垂直ＣＣＤへの電荷転送の取シ残しなどの欠点
が除かれる。

なお、蓄積ダイオードへの垂直電極部の形成工程は、素
子のチップ中の他のコンタクトホールの形成及び電極配
線工程と同時に出来る利点があり、さらに工程短縮が計
れる。

実施例にて、酸化膜の平滑化において、第一酸化膜上に
第二酸化膜を重ねたが、これに限らず、第一酸化膜を予
め十分に厚くしておいて、平滑化を行なっても良い。

垂直電極の形成方法は実施例にて述べた方法のみならず
無電界メッキ、イオン・グレーティングを用いる事がで
き、コンタクト穴が広い場合にはハンダや導電ペースト
による充てんも可能である。

またＣＶＤ法により充てんもしても良い。

また、透明電極には８ｎＯ２やＩ　ｎ　２０　ｇが良い
が金属の薄い膜を用いても良い。また光電変換膜の上部
にインプラや拡散などにより不純物を入れて低抵抗とし
、これを電極としても良い。これら透明１、極は゛画素
ごとに分離され、かつ、電気的に蓄積ダイオードと接続
されている事が必要である。

〔他の実施例〕

第４図は本発明の他の実施例を示す。特にＣＣ１！ ９表面の平滑化を必要としない場合を示し、蓄積ダイオ
ード（３）から直接上部へ電極（２３）を垂直に引き出
して上部−Ｍｌ、極（２４）と電気的接触をもたせた例
である。この構成によっても上述した利点が得られる 第５図は同じく本発明の他の実施例を示す。

ＣＯＤ基板上に下部電極（２１）と光導電膜（２２）を
形成した後に化学的なエツチングを行ない蓄積ダイオー
ドからコンタクト穴を形成する。このコンタクト穴は第
３図や島４因に述べた如く、垂直に形成する必要は無く
、第５図に示すように斜めに形成しておき、全面に透明
筒、＆からなる上部′電極（２４）を形成する６ なお、透明電極とｎ形８ｉとの電気的接触が確実でない
場合には、予めｎ形ＳＩ電極部に適当なオーミック・コ
ンタクトとなる′＃Ｍ、極を形成しておく事は必要であ
る。いずれにせよ、この構成では垂直電極を長く慎重に
形成する必要は無く、プロセスが簡単になる利点がある
。また、上部電極（２４）が透明電極であるため、蓄積
ダイ−オードの上部の透明電極、光導電膜を通過してき
た光が蓄積ダイオード部に入シ、この部分で光電変換さ
れて、感度に寄与できる利点がある。

また、第３図の平滑化酸化膜の場合にも本発明は適用で
きる。

実施例においては固体撮像素子の走査部としてインター
ライン転送形ＣＣＤの例を示したが、これに限らず、蓄
積ダイオードを有するＭＯＳ形やＣＰＤ形にも適用でき
る事は勿論である。

また、絶縁膜として５ｉｎ２などの酸化膜を主として例
示したが、８ｉｓＮ４膜やそれらの複合層でも良い。

なお、光電変換部の材料としてａ　−８ｉ膜例を述べた
が、これに限らず、撮像管用の光電変換材料として用い
られている８ｂ＋Ｓｓ、５ｅ−Ａｓ−Ｔｅ、ＣｄＳｅや
Ｃｄ　Ｚｎ　Ｔｅが使える事は明らかであり、ＩｎＳｂ
やＰｂ８ｎＴｅ　、ＣｄＨ，９Ｔｅなどの赤外用光電材
料も使えるつさらに光導電膜のみならず光起電膜にも使
える事は明らかである。

また、電極材料は実施例で述べた他にＡｕ　、）ｈｊｉ
　。

Ｐｉ　、ＡノーＳｉ、Ｉｎ、Ｓｎなど各稀の材料が使え
る他に、蒸着、スパッタやＣＶＤ法で゛はポリ８ｉ膜も
使える事は明らかである。

なお、実施例ではｐ形Ｓｊ基板の例を示したが、・ｎ形
Ｓｉ基板を用いたものにも適用できる。ただし、電圧や
電位が逆になシミ子中正孔の移動方向は逆になる。

以上、述べたように、固体走査部と光電変換部を有する
固体撮像素子にて、光電変換膜の下部電極を外部電源で
制御する電極とし、光透過の材料からなる上部電極を画
素ごとに分離し、がっ、固体走査部の蓄積ダイオード部
と電気的に接続され、上部電極側から光を入射した時に
前記固体走査部で転送されて信号電荷となるキャリヤが
光入射方向に戻って１明電極の上部′−極へ到達する構
成となる固体撮像素子により、良好な画質の画像を得る
事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電極構造を持つ固体撮像素子の断面図、
第２図は従来のビジコシ形撮像管のターゲットの動作説
明図、第３図は本発明の固体撮像素子の一実施例を示す
断面図、第４図及び第５図は本発明の固体撮像素子の他
の実施例を示す断面図である。 １・・・ｐ形８ｉ基板、２・・・手直ＣＣＤ　　３・・
・蓄積ダイオード、４・篠・ポリＳｉ電極、５・・・第
一酸化膜、６・・・第一電極、７・・・第二酸化膜、８
・・・第二′電極、９・・・光導電体層、１０・・・透
明導電膜、１１・・・入射光、１２・・・ガラス基板、
１３・・・透明導電膜、１４・陽光導電膜、１５・・・
ターゲット、１６・・・ターゲッ、トを圧、°１７・・
・負荷抵抗、１８・・・陰極、１９・・・入射光、２０
・・・平滑化酸化膜、２１・・・下部′〜、極、２２・
・・光導電体層、２３・・・垂直電極、２４川上部電極
。 代理人　弁理士　　　則　近　憲　佑　　（ほか１名）
第　　１　　図 第　　２　　図 Ｊ　　　　　第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上に形成した光電変換部と半導体基板に形成
   された固体走査部を有する固体撮像素子において、光電
   変換部の光電変換膜の下部に外部電源で制御される電極
   を配置し、光電変換膜の上部に光透過の材料からなる電
   極を画素ごとに分離して形成し、それぞれを該固体走査
   部の蓄積ダイオード部と電気的に接続したことを特徴と
   する固体撮像素子。